Tách chiết Omega-3 từ phụ phẩm chế biến cá

Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu tách chiết Omega-3 từ phụ phẩm của ngành chế biến thủy sản nhằm tận dụng có hiệu quả nguồn nguyên liệu này cũng như tham gia bảo vệ môi trường.

Nghiên cứu khoa học công nghệ TÁCH CHIẾT OMEGA-3 TỪ PHỤ PHẨM CHẾ BIẾN CÁ ĐINH THỊ THU TRANG, NGUYỄN TRỌNG DÂN, ĐỖ THỊ THÚY ĐẶT VẤN ĐỀ Hơn hai thập kỷ qua nhiều nghiên cứu lâm sàng chứng minh việc tiêu thụ lượng thấp axit béo khơng bão hịa chứa nhiều nối đơi thuộc nhóm Omega-3 làm gia tăng tỷ lệ mắc bệnh tim mạch, ung thư, đột qụy, tiểu đường, bệnh thần kinh… Tổ chức Y tế giới khuyến cáo việc bổ sung axít béo vào sữa cho trẻ nhỏ đưa mức yêu cầu tiêu thụ người trưởng thành [5, 7]; Omega-3 có nhiều mỡ cá, đặc biệt loại cá biển trở thành đối tượng nhiều nghiên cứu tách chiết Thuỷ sản ngành kinh tế quan trọng nước ta Cùng với phát triển mạnh mẽ ngành nuôi trồng chế biến thủy sản xuất nước ta, lượng lớn phế phụ phẩm bị thải đầu, da, xương… chứa Omega-3 chưa xử lý thích hợp dẫn đến nhiễm mơi trường gây lãng phí [2] Bài báo trình bày kết nghiên cứu tách chiết Omega-3 từ phụ phẩm ngành chế biến thủy sản nhằm tận dụng có hiệu nguồn nguyên liệu tham gia bảo vệ môi trường NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên liệu Tiến hành thu gom phụ phẩm trình chế biến cá (đầu, xương, vây, lườn, ruột, da…) từ chợ siêu thị địa bàn Hà Nội 2.2 Phương pháp nghiên cứu * Quy trình thu nhận Omega-3 từ mỡ nguồn phụ phẩm - Phương pháp thu nhận mỡ lỏng từ nguồn phụ phẩm: Tách mỡ lỏng sử dụng phương pháp gia nhiệt gián tiếp 80 ÷ 85oC (để mỡ khơng bị biến đổi màu mùi), mỡ lên bề mặt, tách ly tâm [4], rửa lần cồn 70% để thu mỡ lỏng - Phương pháp chuyển hóa mỡ lỏng thành axit béo tự do: Cho 25g mỡ cá lỏng vào bình cầu 500ml, thêm 50ml NaOH 7N (pha cồn 70%), đun nóng thiết bị khuấy hồi lưu có gia nhiệt khoảng thời gian nhiệt độ thích hợp Thêm dung dịch muối NaCl 3% vào hỗn hợp, chất không xà phịng hóa tách khỏi hỗn hợp ly tâm Phần xà phịng hóa axit hóa dung dịch H2SO4 3M đến pH = Thêm dung mơi n-hexan để hịa tan axit béo tự tách axit béo khỏi dung dịch Cô quay chân không 70oC để loại bỏ hexane thu hỗn hợp axit béo tự - Phương pháp tủa ure làm giàu Omega-3 [10] Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất làm giàu Omega-3: Tỷ lệ axit béo/urê, EtOH/urê, nhiệt độ kết tinh 86 Tạp chí Khoa học Công nghệ nhiệt đới, Số 09, 12 - 2015 Nghiên cứu khoa học công nghệ * Các phương pháp, phân tích, đánh giá - Phương pháp xác định số axit phương pháp chuẩn độ theo TCVN 61272010 Hàm lượng axit béo tự biểu thị theo phần trăm khối lượng theo công thức: Axit béo tự (%) = AV x 0,5 (Tính theo axit oleic); đó: AV số axit - Phương pháp xác định xác định số iot phương pháp chuẩn độ theo TCVN 6122-2010 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Thu nhận mỡ cá lỏng từ phụ phẩm Quy trình thu nhận mỡ cá lỏng thực theo sơ đồ: Phụ phẩm cá Rửa sạch, xay nhỏ Ép học Gia nhiệt gián tiếp 80oC 30 phút Mỡ cá thô Rửa cồn 70%, lần Mỡ cá lỏng Sơ đồ Quy trình thu nhận mỡ cá lỏng từ phụ phẩm Từ 10 kg phụ phẩm, tiến hành theo quy trình chúng tơi thu nhận 563,75 g mỡ lỏng với số: Chỉ số axit 0,4 mg KOH/g; số xà phòng 198,6 mg KOH/g; số este 198,2 mg KOH/g; số iot 98,7 g I2/100g, có màu vàng cam, trong, có mùi đặc trưng cá Các tác giả trước chủ yếu nghiên cứu thu nhận Omega-3 đối tượng cụ thể cá hồi [10], cá basa, cá trích [1], cá tra [3] Nguồn vật liệu sử dụng phần phụ phẩm trình chế biến cá bao gồm xương, vây, đi… Vì tỷ lệ mỡ lỏng thu nhận thấp Tuy nhiên, dựa số đánh giá cảm quan, mỡ lỏng đủ điều kiện cho nghiên cứu Để xây dựng quy trình tách chiết Omega-3 từ nguồn phụ phẩm, tiến hành nghiên cứu thơng số ảnh hưởng tới q trình thủy phân mỡ cá lỏng làm giàu Omega-3 phương pháp tủa ure 3.2 Nghiên cứu thông số ảnh hưởng tới q trình chuyển hóa mỡ cá lỏng thành axit béo tự Lựa chọn thời gian cho trình thủy phân mỡ cá lỏng Quá trình thủy phân mỡ cá lỏng thực 70oC với thời gian thủy phân khác nhau: 30; 60; 90; 120; 150 phút Kết thu bảng Tạp chí Khoa học Công nghệ nhiệt đới, Số 09, 12 - 2015 87 Nghiên cứu khoa học công nghệ Bảng Ảnh hưởng thời gian đến trình thủy phân mỡ cá lỏng TT Thời gian (phút) Chỉ số axit (mg KOH/g) Axit béo tự (%) Ban đầu 0,4 0,2 30 110,4 55,2 60 156,6 78,3 90 180,7 90,3 120 150 191,1 191,5 95,6 95,8 Kết bảng 1, cho thấy thời gian thủy phân mỡ cá lỏng lớn hiệu suất thủy phân cao Thời gian thủy phân tăng từ 30 phút đến 150 phút hiệu suất thủy phân tăng gấp 1,7 lần thông qua số axit Kết thủy phân mỡ cá thời gian 150 phút cho hiệu suất cao 95,8% Mặc dù thời gian 30 phút hiệu suất chênh lệch hai khoảng thời gian đạt 0,02% Vì vậy, để tiết kiệm thời gian cho quy trình chọn thời gian thủy phân mỡ cá lỏng 120 phút với hiệu suất 95,6% Lựa chọn nhiệt độ cho trình thủy phân mỡ cá lỏng Nhiệt độ thơng số ảnh hưởng trực tiếp đến q trình thủy phân mỡ cá chất lượng sản phẩm hỗn hợp axit béo tự Tiến hành thủy phân mỡ cá lỏng nhiệt độ: 50; 60; 70; 80 90oC Kết thu trình bày bảng Bảng Ảnh hưởng nhiệt độ tới trình thủy phân mỡ cá lỏng TT Nhiệt độ (oC) 50 Chỉ số axit (mg KOH/g) 170,8 Axit béo tự (%) 85,4% 60 176,2 88,1% 70 185,1 92,6% 80 90 196,1 194,6 98,1% 97,3% Ở nhiệt độ 80oC, hàm lượng axit béo tự mỡ cá lỏng đạt tỷ lệ cao 98,1% Hàm lượng có xu hướng giảm tăng nhiệt độ lên 90oC, việc tác động nhiệt thời gian dài số axit béo chưa bão hịa bị chuyển hóa, phần trăm axit béo tự thu bị giảm xuống Với kết thí nghiệm trên, lựa chọn nhiệt độ cho q trình thủy phân 80oC Từ kết thí nghiệm, tiến hành thủy phân mỡ cá phương pháp xà phịng hóa theo thơng số sau: Mỡ cá tiến hành thủy phân nhiệt độ 80oC khoảng thời gian 120 phút Hỗn hợp axit béo thu sau trình thủy phân xác định chất lượng theo tiêu: - Cảm quan: hỗn hợp có màu vàng sáng, - Chỉ số axit: 196,3 mg KOH/g - Hàm lượng axit béo tự do: 98,2% - Chỉ số iot: 108,45 g I2/100g 88 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ nhiệt đới, Số 09, 12 - 2015 Nghiên cứu khoa học công nghệ 3.3 Nghiên cứu thông số ảnh hưởng tới trình làm giàu Omega-3 phương pháp tủa urê Hỗn hợp axit béo tự thu sau trình thủy phân bao gồm axit béo no, axit béo không no nối đôi axit béo không no đa nối đôi Để tăng hàm lượng Omega-3 sản phẩm cần phải tiến hành làm giàu Đã lựa chọn phương pháp tủa urê để làm giàu cơng nghệ đơn giản, phù hợp với điều kiện nghiên cứu thực tế phịng thí nghiệm Tiến hành thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố đến hiệu suất làm giàu Đánh giá kết thông qua số iot số iot biểu thị mức độ không no dầu mỡ, số iot cao mức độ không no lớn ngược lại Đây điểm nghiên cứu việc đánh giá thơng qua số iot thực dễ dàng phịng thí nghiệm, kết có độ xác cao, phụ thuộc yếu tố khách quan hao hụt dầu thao tác q trình thí nghiệm đánh giá việc xác định khối lượng sản phẩm thu Lựa chọn tỷ lệ urê/axit béo cho trình làm giàu Tỷ lệ urê/ axit béo yếu tố ảnh hưởng tới độ tinh hiệu suất thu hồi Omega-3 Nếu tỷ lệ q nhỏ urê khơng đủ khả tạo phức với tất axit béo no axit béo không no nối đôi dẫn đến độ tinh không cao ngược lại [5], làm cho hiệu suất thu hồi axit béo không no nhiều nối đôi thấp gây lãng phí urê dư thừa Thí nghiệm này, tiến hành khảo sát với tỷ lệ urê/axit béo 1/1; 2/1; 3/1; 4/1; 5/1 điều kiện tỷ lệ cồn/hỗn hợp axit béo 8/1; nhiệt độ kết tinh tạo phức 4oC Kết thu bảng Bảng Tỷ lệ urê/axit béo thích hợp cho q trình tủa urê TT Urê/axit béo (w/w) Chỉ số iot (g I2/100g) 0/1 (chưa xử lý) 108,45 1/1 111,46 2/1 129,20 3/1 134,55 4/1 5/1 148,11 148,80 Kết cho thấy với tỷ lệ urê/axit béo 4/1 5/1 cho hiệu kết tinh cao với số iot 148,11 148,80 Tuy nhiên, khác biệt hiệu suất hai tỷ lệ không đáng kể Đã lựa chọn tỷ lệ urê/hỗn hợp axit béo 4/1 để phù hợp với thực tế, tỷ lệ lựa chọn cho nghiên cứu Lựa chon tỷ lệ EtOH/ure cho trình làm giàu EtOH 96% dung mơi để hịa tan urê axit béo tạo điều kiện tiếp xúc urê với axit béo tốt Tỷ lệ EtOH/urê ảnh hưởng tới khả làm giàu Omega-3 phương pháp sử dụng Trong thí nghiệm này, khảo sát tỷ lệ EtOH/urê 7/1; 8/1; 9/1; 10/1 với thông số khác tỷ lệ urê/axit béo 4/1, nhiệt độ kết tinh 4oC Kết thu bảng Tạp chí Khoa học Cơng nghệ nhiệt đới, Số 09, 12 - 2015 89 Nghiên cứu khoa học công nghệ Bảng Tỷ lệ EtOH/hỗn hợp axit béo thích hợp cho q trình tủa urê TT Tỷ lệ EtOH/Urê Chỉ số iot (g I2/100g) 0/1 (chưa xử lý) 108,45 6/1 129,20 7/1 141,40 8/1 144,71 9/1 151,53 10/1 146,70 Kết cho thấy số iot tăng tăng lượng EtOH sử dụng Thành phần hiệu suất làm giàu đạt cực đại tỷ lệ 9/1 bắt đầu có xu hướng giảm tỷ lệ 10/1, chứng tỏ, tăng thêm hàm lượng EtOH axit béo chưa bão hịa đa nối đơi nói chung Omega-3 nói riêng có khuynh hướng tạo phức với urê làm cho thành phần hiệu suất tách giảm Để thu hàm lượng Omega-3 cao chọn tỷ lệ EtOH hỗn hợp axit béo 9/1 Lựa chọn nhiệt độ cho trình tủa urê Nhiệt độ có ảnh hưởng đến độ tinh hiệu suất thu hồi Omega-3, trình kết tinh Nhiệt độ cao thấp làm cho việc hình thành mạng tinh thể gắn axit béo no axit béo không no nối đôi với urê kém, dẫn tới hiệu suất tạo phức thấp Hayes cộng sự, 1998 cho nhiệt độ tạo phức urê không 25oC [6] Tham khảo kết nghiên cứu công bố giới điều kiện Việt Nam, nghiên cứu lựa chọn nhiệt độ kết tinh 20oC; 4oC; 0oC -25oC với thơng số cịn lại tỷ lệ EtOH/urê 9/1; tỷ lệ urê/axit béo 4/1 Bảng Nhiệt độ thích hợp cho q trình tủa urê làm giàu Omega-3 Nhiệt độ kết tinh (oC) Chỉ số iot (g I2/100g) Chưa tủa urê 108,45 20 110,71 157,95 153,34 -25 137,50 TT Qua bảng thấy số iot sản phẩm kết tinh nhiệt độ 4oC cao Điều phù hợp với số nghiên cứu trước Medina cộng sự, 1995 khảo sát nhiệt độ kết tinh từ -36oC đến 36oC nhận thấy 4oC nhiệt độ kết tinh tối ưu cho trình thu nhận EPA DHA từ dầu cá tuyết [8] Đã lựa chọn nhiệt độ thích hợp cho trình kết tinh tạo phức với urê 4oC 90 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ nhiệt đới, Số 09, 12 - 2015 Nghiên cứu khoa học cơng nghệ 3.4 Phân tích kết hàm lượng Omega-3 sản phẩm thu Sau nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng, tiến hành làm giàu theo thông số tối ưu Từ 100g hỗn hợp axit béo ban đầu có số iot 108,45 g I2/100g thu nhận 32 g dầu có số iot đạt 157,05 g I2/100g Chỉ số iot tăng lên chứng tỏ chứa nhiều axit béo không no đa nối đôi, axit béo no axit béo không no nối đôi tách qua trình làm giàu Để khẳng định điều này, mẫu thí nghiệm phân tích sắc ký khí Tổng cục Cảnh sát phòng chống tội phạm, Viện Khoa học hình Kết phân tích trình bày bảng Bảng Hàm lượng Omega-3 trước sau làm giàu phương pháp tủa urê STT Axit béo Tên khoa học I Hàm lượng Omega-3 trước làm giàu Hàm lượng 6,1% C18:3 (n-3) Axit α-linolenic (ALA) 0,3% C20:5 (n-3) Axit eicosapentaenoic (EPA) 1,7% C22:6 (n-3) Axit docosahexaenoic (DHA) 4,1% II Hàm lượng Omega-3 sau làm giàu 24,5% C18:3 (n-3) Axit α-linolenic (ALA) 1,3% C20:5 (n-3) Axit eicosapentaenoic (EPA) 7,2% C22:6 (n-3) Axit docosahexaenoic (DHA) 16,1% Dựa vào kết phân tích bảng 6, nhận thấy rằng, phương pháp làm giàu đạt kết tốt Sau trình tủa urê hàm lượng Omega-3 tăng từ 6,1% lên 24,5% Hàm lượng EPA + DHA tăng từ 5,8% lên 23,3% sau tủa So sánh với số cơng trình công bố trước đây, hàm lượng Omega-3 thu tốt kết Phạm Thị Lan Phương với hàm lượng Omega-3 19,523% thực phản ứng thủy phân siêu âm hóa [3]; Mai Thị Diệu Thảo đạt 24,05% Lại Mai Hương với hàm lượng EPA + DHA đạt 22,8% sử dụng phương pháp làm giàu kết tinh phân đoạn sử dụng nhiệt độ thấp từ -20oC đến -70oC Kết cho thấy, phương pháp sử dụng phù hợp với điều kiện nghiên cứu cho kết tương đối tốt so với số nghiên cứu công bố nước Tạp chí Khoa học Cơng nghệ nhiệt đới, Số 09, 12 - 2015 91 Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Từ kết trên, quy trình tổng qt q tách chiết Omega-3 phịng thí nghiệm xây dựng sau: Phụ phẩm cá Rửa sạch, xay nhỏ Gia nhiệt gián tiếp 80 ÷ 85oC Ép học Mỡ cá thô Rửa EtOH 70%, lần Mỡ cá lỏng NaOH 7N H2SO4 3M Thủy phân mỡ lỏng Gia nhiệt 80oC 120 phút Hỗn hợp axit béo tự Gia nhiệt 60oC 20 phút EtOH/Urê: 9/1 Urê/axit béo: 4/1 Kết tinh tạo phức 24h, nhiệt độ 4oC Lọc Phức kết tinh Tách nước Na2SO4 khan n-hexan Cô quay đuổi dung môi OMEGA-3 Sơ đồ Quy trình tách chiết Omega-3 từ phụ phẩm trình chế biến cá quy mơ phịng thí nghiệm Sản phẩm Omega-3 phân tích chất lượng thơng qua số màu sắc cảm quan, số axít số iot Kết cho thấy Omega-3 thu có màu vàng sáng, trong; số axit đạt 195,01 mg KOH/g, số iot 157,05g I2/100g 92 Tạp chí Khoa học Công nghệ nhiệt đới, Số 09, 12 - 2015 Nghiên cứu khoa học công nghệ KẾT LUẬN - Chuyển hóa mỡ cá lỏng từ dạng triglyxerit thành dạng axit béo tự bao gồm axit béo bão hịa khơng bão hịa phương pháp thủy phân thời gian 120 phút nhiệt độ 80oC cho hàm lượng axit béo tự 98,2% - Điều kiện tối ưu cho trình làm giàu Omega-3 từ hỗn hợp axit béo phương pháp tủa urê gồm: Tỷ lệ urê/axit béo 4/1; tỷ lệ EtOH/urê 9/1, nhiệt độ kết tinh 4oC, thời gian 24h - Đã xây dựng quy trình tách Omega-3 từ phụ phẩm cá với hàm lượng Omega-3 sau trình làm giàu tăng từ 6,1% lên 24,5% hàm lượng DHA EPA chiếm đến 23,2% TÀI LIỆU THAM KHẢO Lại Mai Hương, Kết tinh phân đoạn axit béo không no nhiều nối đơi từ dầu cá trích cá basa, Tạp chí hóa học, 2007, 45(5):559-564 Lê Thị Mỹ Hương Sản xuất sản phẩm thủy phân protein từ đầu cá vây vàng protease thương mại, Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản, 2012, 2:25-30 Phạm Thị Lệ Thu, Phạm Thị Lan Phương, Bước đầu thử nghiệm trích ly Omega-3 từ mỡ cá tra, Tuyển tập Hội nghị khoa học trẻ ngành thủy sản Toàn quốc lần thứ IV, 2013, 1:64-69 Lê Ngọc Tú, La Văn Chứ, Đặng Thị Thu, Nguyễn Thị Thịnh, Bùi Đức Hợi, Lê Dỗn Diên, Hóa sinh cơng nghiệp, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2004, tr.175-180 Darren J Holub, Bruce J Holub Omega-3 fatty acids from fish oils and cardiovascular disease, Molecular and Cellular Biochemistry, 2004, 263:217-225 Hayes D.G., Bengtsson Y.C., Alstine J.M.V., Setterwall F., Urea complexation for the rapid, ecologically responsible fractionation of fatty acids from seed oil, J Am Oil Chem Soc, 1998, 75:1403-1409 Innis, S.M., Fatty acids and early human development Early Human development, 2007, 83(12):761-766 Medina A.R., Giménez A.G., Camacho F.G., Pérez J.A.S., Grima E.M., Gómez A.C., Concentration and purification of stearidonic, eicosapentaenoic, and docosahexaenoic acids from cod liver oil and the marine microalga Isochrysis galbana, J Am Oil Chem Soc, 1995, 22:575-583 Shannon E Ethier, Producing Omega -3 polysaturated fatty acid from biotiesel waste glycerol by microalgae fermentation, Biological Systems Engineering, 2010, 65:7-21 Tạp chí Khoa học Công nghệ nhiệt đới, Số 09, 12 - 2015 93 Nghiên cứu khoa học công nghệ 10 Shucheng Liu, Chaohua Zhang, Pengzhi Hong, Hongwu Ji, Concentration of docosahexanoic acid (DHA) and eicosapentaenoic acid (EPA) of tuna oil by urea complexation: optimazation of process parameters, Journal of food engineering, 2006, 73:203-209 SUMMARY EXTRACTION OF OMEGA-3 FROM BY-PRODUCT OF FISH PROCESSING In this paper, extraction of Omega-3 fatty acid from by-product of fish processing is studied The by-product of fish processing is cleaned and heated at 80oC for collecting liquid fat It is then transfered to free fatty acid by chemical reaction at temperature 80oC for 120 minutes The enrichment process of Omega-3 fatty acid from free fatty acid by urea complexation is studied The optimum conditions are: the urea/fatty acid ratio is 4/1; the ethanol/urea ratio is 9/1; the crystallization time is 24h and the crystallization temperature is 4oC The content of Omega-3 fatty acid is 24,5% of total polyunsaturated fatty acids, DHA and EPA account for 16,1% and 7,2%, respectively Từ khóa: Omega-3, DHA, EPA, fish waste Nhận ngày 08 tháng năm 2015 Hoàn thiện ngày 12 tháng năm 2015 Phân viện Công nghệ Sinh học, Trung tâm Nhiệt đới Việt - Nga 94 Tạp chí Khoa học Công nghệ nhiệt đới, Số 09, 12 - 2015 ... Lọc Phức kết tinh Tách nước Na2SO4 khan n-hexan Cô quay đuổi dung môi OMEGA-3 Sơ đồ Quy trình tách chiết Omega-3 từ phụ phẩm trình chế biến cá quy mơ phịng thí nghiệm Sản phẩm Omega-3 phân tích... đặc trưng cá Các tác giả trước chủ yếu nghiên cứu thu nhận Omega-3 đối tượng cụ thể cá hồi [10], cá basa, cá trích [1], cá tra [3] Nguồn vật liệu sử dụng phần phụ phẩm trình chế biến cá bao gồm... Thu nhận mỡ cá lỏng từ phụ phẩm Quy trình thu nhận mỡ cá lỏng thực theo sơ đồ: Phụ phẩm cá Rửa sạch, xay nhỏ Ép học Gia nhiệt gián tiếp 80oC 30 phút Mỡ cá thô Rửa cồn 70%, lần Mỡ cá lỏng Sơ đồ